Zmierzyli (prawie) nic. Fizycy pobili rekord czułości pomiaru energii
Zeptodżul to tyle energii, ile potrzeba, by przesunąć czerwoną krwinkę o nanometr (miliardową część metra) w górę. Brzmi abstrakcyjnie? Fińskim fizykom udało się nie tylko zmierzyć taką energię, ale nawet pobić tę granicę – wykryli sygnał zaledwie 0,83 zeptodżula.
Zespół z Aalto University, kierowany przez profesorów Mikko Möttönena i Wei Liu, zbudował w tym celu kalorymetr, który nie mierzy energii bezpośrednio, ale pochłania ją, zamienia na ciepło, a następnie odczytuje powstałą zmianę temperatury. To podejście znane jest od lat, ale dopiero teraz udało się osiągnąć rozdzielczość energetyczną w skali zeptodżulowej przy pomiarze rzeczywistych impulsów mikrofalowych – a nie tylko na podstawie teoretycznych szacunków z pomiarów szumów.
Kluczem do sukcesu było sprytne połączenie materiałów. Naukowcy wykorzystali nanoprzewód ze stopu złota i palladu, który miał kontakt z nadprzewodzącymi wyspami z aluminium. Stworzyli w ten sposób nadprzewodzące złącze SNS (nadprzewodnik–normalny metal–nadprzewodnik), które pełniło rolę termometru. Całe urządzenie pracuje w temperaturze 20 milikelwinów, czyli ledwie odrobinę powyżej zera absolutnego.
Na impulsy mikrofal o czasie trwania zaledwie mikrosekundy i energii rzędu jednego do kilku zeptodżuli czujnik reaguje sygnałem ginącym w szumie. Z pomocą przyszła znana z radiolokacji i innych metod wykrywania sygnałów technika odpowiedniego filtrowania, która pozwala znaleźć w szumie spodziewany wzorzec sygnału. Dzięki temu stosunek sygnału do szumu wzrósł o ponad 30 procent, co pozwoliło na wykrycie sygnału.
Badacze szacują czułość swojego rozwiązania na 0,83 zJ. Praktyczne zastosowania tej technologii wykraczają daleko poza laboratorium. Ponieważ kalorymetr pracuje w tych samych temperaturach co kubity – podstawowe elementy komputerów kwantowych – może w przyszłości służyć do ich odczytu bez konieczności wzmacniania sygnału. To ograniczyłoby zakłócenia i uprościło architekturę procesorów kwantowych. Möttönen wspomina też o poszukiwaniu aksjonów – hipotetycznych cząstek ciemnej materii – których wykrycie wymaga czujników reagujących na pojedyncze fotony o nieznanym z góry czasie nadejścia.
Teraz naukowcy chcą udoskonalić swoje urządzenie, spróbują wykorzystać w nim grafen, który ma mniejszą pojemność cieplną, co powinno pozwolić na wykrywanie jeszcze mniejszych porcji energii.
Badania zostały opisane na łamach Nature Electronics.
Komentarze (0)